第九章钢铁工业清洁生产.docx

1、第九章钢铁工业清洁生产第九章 钢铁工业清洁生产第一节 钢铁工业生产概述一钢铁工业在国民经济中的作用及发展现状钢铁工业是采、选、冶及金属加工的工业，是国民经济中的重要基础产业，在我国现代化经济建设中具有极为重要的战略地位，为国民经济各生产部门提供钢铁等黑色金属材料。我国钢铁工业经过了建国后50多年来的发展，特别是近十余年的快速发展，也成为世界第一产钢大国。到1998年底，我国钢铁工业重要产品年生产能力为：钢1.34亿吨，生铁1.2亿吨、成材1.38亿吨。当年实际产钢1.145亿吨、生铁1.185亿吨、钢材1.074亿吨。预计2003年我国钢铁需求将突破2亿吨大关。达到2.15亿吨，比2002年增

2、长10.3%。据此，2003年我国钢产量将比2002年增加19.4%，达到2.15亿吨。二钢铁工业产业特点 钢铁工业是资源能源密集型产业，开发的主要对象是黑色金属和非金属矿物资源。从选矿、烧煤、炼铁、炼钢到轧钢，每个生产工序都要消耗大量的能源和辅助原材料。我国钢铁工业每生产1吨钢需消耗67吨原料和燃料，其中80%以上，即56吨以各种废物形式排入环境。因此，钢铁工业又是国民经济各部门中的重污染行业，废气、废水、废渣排放量占全国工业“三废”排放总量的1015%。我国钢铁工业能耗高，能源消耗占全国的10%以上，1998年全行业吨钢综合能耗1290kgce，比世界先进水平高出2040%，能源的适量消耗

3、，更加剧了钢铁工业对环境的污染。 我国钢铁工业铁金属一次综合收得率为54.45%，比世界先进水平的72.88%相差18.43个百分点。由于铁金属综合收得率低，要生产更多的钢材，就必须多采矿、多选矿、多烧结、多炼铁、多炼钢，投入多、产出少，必然流失大，从而造成恶性循环。特别应当指出的是，由于落后的技术装备仍占有相当比重，加上管理不善，我国钢铁工业各工序现有生产能力中有相当一部分属于资源（特别是能源）消耗高、金属收得率低、污染严重的生产工艺。其中，炼铁约有4000万吨生产能力属于污染严重、浪费资源的小高炉，约占炼铁能力的1/3；炼钢采用落后工艺装备应尽快淘汰的生产能力约2700万吨，约占总能力的2

4、0%；轧钢（不含初轧开坯）中属落后工艺装备应淘汰的生产能力约3250万吨，属应更新改造的生产能力约4700万吨，合计占总能力的58%。三 钢铁工业污染物排放及其特点（一）钢铁工业污染物排放情况：钢铁工业生产要消耗大量的资源和能源，而金属收得率相对较低，这就决定了在钢铁生产整个过程中将会有大量的废气、废水、废渣及其他污染物的排出（参阅图91）。换言之，每生产出一吨钢铁产品，将伴随着大量的污染环境的各种废物排出。表91为联合图环境规划署提供的“钢铁工厂环境管理指南”中列举的钢铁厂每吨轧材（钢铁工业最终产品）所排放的污染物。 飘尘 颗粒物、噪声 水蒸汽 颗粒物 CO、NH3、SO2 NOx H2S

5、SS、BOD 碳氢化合物 NH3、CN 焦炭、烧结矿或球团 颗粒物 酚 颗粒物、CO、SOxNOxHFNOx SOx 碳氢化合物、噪声 颗粒物 渣 颗粒物 高炉渣 炼钢炉渣泥渣 渣 颗粒物、噪声 泥渣 SS、油 蒸 汽 SOx、NOx、颗粒物 图 91 钢铁联合企业主要工艺及其污染物排放 表91 钢铁厂吨轧材排放的污染物 kg/t材 污染物因子烧结炼焦炼铁炼钢轧钢综合总量颗粒物粉尘3120.50.67.1烟尘烟气SOx40.30.320.22.07.0NOx10.20.20.10.52.0CO400.35150.3360.63HF0.04微量微量0.01不定0.05CxHr0.10.20.05

6、0.050.20.60废水SS0.280.060.240.070.200.85COD0.050.080.160.200.140.63NH30.030.080.11酚0.0050.005氰化物0.020.030.05氯化物0.050.050.200.30硫酸盐00040.0030.400.407固体物粉尘循环利用2123079泥渣121510渣300100400氧化铁皮3030含油废物1010其它耐火材料2020工业垃圾4040生活垃圾1010（二）烟气排放及其特点钢铁厂的烧结、球团、炼焦、化学付产、炼铁、炼钢、轧钢、锻压、金属制品与铁合金、耐火材料、碳素制品及动力等生产环节，拥有排放大量烟尘的

7、各种窑炉。全国钢铁工业每年废气排放量可达12000亿m3左右，其中，二氧化硫等外排放废气约占全国1/6，排放量仅次于电力工业，居全国第二位。钢铁工业在各工业部门中是废气污染环境的大户之一。根据钢铁企业排放的废气，大体可分为三类：第一类是生产工艺过程化学反应中排放的废气，如冶炼、烧焦、化工产品和钢材酸洗过程中产生的烟尘和有害气体；第二类是燃料在炉、窑中燃烧产生的烟气和有害气体；第三类是原料、燃料运输，装卸和加工等过程产生的粉尘。现将排放量大的烟尘、粉尘和二氧化硫的来源列于表92。表92 铁钢企业烟尘、粉尘、二氧化硫的主要来源一览表生产工艺主要污染物排 放 源一、原料处理二、烧结（球团）三、炼 铁

8、四、炼 钢五、轧 钢六、铁合金粉 尘粉 尘粉 尘粉 尘烟尘、二氧化硫烟尘，二氧化硫粉 尘粉 尘粉 尘粉 尘粉 尘粉 尘烟 尘烟 尘烟 尘烟 尘烟尘、二氧化硫烟 尘烟 尘烟 尘烟 尘烟 尘烟 尘烟 尘粉 尘粉 尘烟尘、二氧化硫粉 尘粉 尘粉 尘烟 尘粉 尘烟 尘烟 尘烟 尘烟 尘原料堆场原料运输机转运矿石破碎筛分设备煤粉碎设备烧结机机关带式（或竖炉）球团设备烧结机机尾烧结矿筛分系统贮矿槽粉焦粉碎系统炉前原料贮存槽原料转运站高炉出铁场高炉煤气放散铸铁机混铁炉平炉（吹氧平炉）转炉（顶吹氧转炉）连铸、火焰清理机电 炉炉外精炼炉化铁炉混铁炉铁水脱硫散状料转运站辅助物料破碎加热炉（烧煤）钢坯火焰清理机机械

9、清理机热带连轧、精轧机冷带连轧、双平整机敞开式电炉封闭式电炉精炼电弧炉回转窑熔炼炉生产工艺主要污染物排 放 源七、炼焦八、耐火九、炭素制品十、机修十一、动力十二、辅助原料加工烟 尘烟 尘烟 尘烟 尘烟 尘烟 尘烟 尘烟 尘粉 尘粉 尘烟 尘烟 尘烟 尘烟 尘粉 尘烟 尘烟尘、二氧化硫烟 尘烟 尘粉 尘焦炉装煤设备出焦设备熄焦设备焦 炉煤及焦粉碎、筛分、转运点竖 窑回转窑隧道室破碎、筛分设备运输系统锻烧炉焙烧炉石墨化炉浸焙炉原料破碎、筛分转运点化铁炉锅炉石灰窑白云石窑矿石破碎、筛分、转运点钢铁工业废气的物点是：1、排放量大、污染面广钢铁工业生产过程中释放的废气，每吨钢的废气排放量约为20000m

10、3（标）,在全国40个行业中，钢铁工业废气年排放量占全国总排放量的18%，位居第二。钢铁企业的工业窑炉规模庞大、设备集中。全国40个行业中，废气排放量在100万m3（标）以上的76个大户中，钢铁企业即有14户，占18.4%。2、烟尘颗粒细，吸附力强钢铁冶炼过程中排放的多为氧化铁烟尘，其粒径在1以下的占多数。由于尘粒细，比表面积大，吸附力强，易成为吸附有害气体的载体。3、废气温度高，治理难度大冶金窑炉排出的废气温度一般为4001000，最高可达14001600。在钢铁企业中，有1/3烟气净化系统处理高温烟气，处理烟气量占整个钢铁企业总烟气量的2/3。由于烟气温度高，对管道材质、构件结构，以及净化

11、设备的选择均有特殊要求；高温烟气中含硫、一氧化碳，使烟气在净化处理时，必须妥善处理好“露点”及防火、防爆问题。所有这些特点，构成了高温烟气治理中的艰巨性和复杂性，使处理技术难度大、设备投资高。4、烟气阵发性强，无组织排放多金属冶炼是非常复杂的反应过程。其间，烟气的产生具有阵发性，而且随着冶炼过程的不同，散发烟气的成分及数量也不同，波动极大。一般净化系统主要是控制烟气最大的冶炼过程（即一次烟气），而对一次集尘系统未捕集到以及其它辅助工艺过程所散发的烟气（即二次烟气），形成了无组织地通过厂房或天窗外逸。二次烟气中的烟尘虽一般仅占总烟尘量的710%左右，但其尘粒细、分散度高，对环境的污染影响更大。5

12、、废气具有回收价值钢铁生产排出的废气虽然对环境有害，但高温烟气中的余热可通过热能回收装置转换为蒸汽或电能；可燃成分如煤气可作为燃料；净化过程收集的尘泥多数富含氧化铁，可以回收利用。（三）废水排放及其特点钢铁工业用水量很大，每炼一吨钢，约用200250m3水，外排废水量约占全国的1/7，仅次于化工，位居第二。钢铁生产过程中排出的废水，主要来源于生产工艺过程用水、设备与产品冷却水、设备和场地清洗水等。70%的废水来源于冷却用水，生产工艺过程排出的只占一小部分。废水含有随水流失的生产用原料、中间产物和产品以及生产过程中产生的污染物。钢铁工业废水通常按下述方法分为三类：第一类，按所含的主要污染物性质，

13、可分为含有机污染物为主的有机废水和含无机污染物（主要为悬浮物）为主的无机废水以及仅受热污染的冷却水；第二类，按所含污染物的主要成分，可分为含酚氰污水、含油废水、含铬废水、酸性废水、碱性废水和含氟废水等；第三类，按生产和加工对象，可分为烧结厂废水、焦化厂废水、炼铁厂废水、炼钢厂废水和轧钢厂废水等。各厂又有几种主要废水以及这些废水处理工艺的选择，如表93所示。表93 钢铁企业主要废水及其单元处理工艺选择一览表排放废水的工厂按污染物主要成份分类的废水单元处理工艺选择含酚氰废水含氟废水含油废水重金属废水含悬浮物废水热废水酸废液水碱废水沉淀混凝沉淀过滤冷却中和气浮化学氧化生物处理离子交换膜分离活性炭磁分

14、离蒸发结晶化学沉淀混凝气浮萃取烧结厂焦化厂炼铁厂炼钢厂轧钢厂铁合金其 它钢铁工业废水的特点是：1、废水量大，污染面广钢铁工业生产过程中，从原料准备到钢铁冶炼以至成品轧制的全过程中，几乎所有工序都要用水，都有废水排放。2、废水成分复杂、污染物质多表94列出了钢铁工业废水的污染特征和主要污染物质。从中可以看出钢铁工业废水污染特征不仅多样，而且往往含有严重污染环境的各种重金属和多种化学毒物。表94 钢铁工业废水的污染特征和主要污染物排放废水的单元（车间）污 染 特 征主 要 污 染 物浑浊臭味颜色有机污染物无机污染染热污染酚苯硫化物氟化物氰化物油酸碱锌镉砷铅铬镍铜锰钒烧结焦化炼铁炼钢轧钢酸洗铁合金3

15、、废水水质变化大，造成废水处理难度大钢铁工业废水的水质因生产工艺和生产方式不同而有很大的差异。有的即使采用同一种工艺，水质也有很大变化。如氧气顶吹转炉除尘污水，在同一炉钢的不同吹炼期，废水的pH值可在413之间，悬浮物可在25025000mg/L之间变化。间接冷却水在使用过程中仅受热污染，经冷却后即可回用。直接冷却水因与物料等直接接触，含有同原料、燃料、产品等成分有关的各种物质。由于钢铁工业废水水质的差异大、变化大，无疑加大废水处理工艺的难度。（四）固体废物排放及其特点钢铁工业固体废物（即冶金渣或废渣）是指钢铁生产过程中产生的固体、半固体或泥浆废弃物。主要包括：采矿废石、矿石洗选过程排出的尾矿

16、、冶炼过程产生的各种冶炼矿渣、轧钢过程中产生的氧化铁皮和各生产环节净化装置收集的各种粉尘、污泥以及工业垃圾。此外，按固体废物管理范畴还包括容器盛装的酸洗废液和废油等。钢铁工业固体废物产生于钢铁生产的各个环节，换言之，伴随着从矿石的采掘到钢铁成品的出厂，每一步工序都有其特定的固体废物的产生、排放，其品种因工序而异，其发生量因工艺技术而增减。表95列出了钢铁厂通常产生的固体废物和副产品。表95 钢铁工业中的废物和副产品（节选）生产阶段副产品和废物焦炭生产硫酸铵、苯、浓焦油、萘、沥青、粗酚、硫酸、焦油；锅炉与冷却器清除残渣；氨生产中排出的石灰泥浆；焦化废水机械澄清排出的污泥；熄焦水与温法除尘器排出的

17、湿尘泥；焦化废水处理的活性污泥；粉尘烧结厂废气净化产生的粉尘；二次烟尘产生的粉尘高炉高炉渣；铸造场烟气除尘产生的粉尘；煤气净化产生的粉尘；煤气洗涤水净化产生的污泥炼钢钢渣；二次排放控制产生的粉尘；干法烟气除尘产生的粉尘；钢厂除尘用工艺水产生的污泥热成型和连铸铁屑轧机污泥铁皮坑渣辗磨与切削废物轧辊辗磨产生的污泥精加工来自表面机械处理的铁屑；工艺水处理产生的铁屑；粉尘；再生设备产生的Fe2O3；再生设备产生的FeSO47H2O；酸洗废液；中和污泥；废热处理盐；来自金属表面除油与清洗的残渣其它辅助部门含油废弃物： 液态废弃物：如废油和废油乳化液，含油污泥； 含油固体废弃物：如润滑剂生成的固体废物及含

18、油的金属切削物轧钢废料，建造和拆除的废钢废耐火材料屋顶集尘；挖掘出的土；下水道污泥；家庭废物；大块的废物。钢铁工业固体废物的特点是：1、量大面广，种类繁多如前所述，钢铁生产消耗原材料和燃料多，但80%以上的消耗又以各种形式的废物排出。其中除废水外，以重量计又以固体废物为主，即每生产1吨钢，固体废物排放量即超过半吨。我国现已成为世界第一产钢大国，年产量逾2亿吨，其固体废物产生量之大不言而喻，约占我国工业固体废物发生总量的1/5，排在矿业和电力行业之后，位居第三。从表95中又可以看出固体废物产生于钢铁生产的各个环节，不仅涉及面广，而且种类各异、品种繁多。2、蕴含有价元素，综合利用价值高钢铁工业原料

19、多为各种元素共生矿物。生产过程中“取主弃辅”，必然导致排出废物中蕴含各种不同的有价元素，如：铁、锰、钒、铬、钼、铝等金属元素和钙、硅、硫等非金属元素。这些元素对主产品或许是无益甚至是有害的，但对其他产品生产则可能是重要原料。因此，钢铁工业固体废物是一项可再利用的大宗二次资源。有些固体废物稍加处理即可成为其他生产部门的宝贵原料，如高炉渣经水淬处理成为粒化高炉矿渣，是生产矿渣水泥的重要原料。尤其应指出的是，含铁固体废物即是钢铁厂内部循环利用的金属资源，不仅综合利用价值高，而且减少废物外排，有利于减少污染。从图92“综合性钢铁企业中主要的副产品与废物流程图”中不难看出，相当一部分固体废物（确切地说应

20、是副产品）可以在本企业中循环利用。 图92 综合性钢铁企业中主要的副产品与废物流程图3、有毒废物少，便于处理与利用钢铁工业除金属铬与五氧化二钒生产过程产生的水浸出铬渣和钒渣；特殊钢厂铬合金钢生产过程中产生的电炉粉尘以及炭素制品厂产生的焦油、轧钢过程表面处理废水治理产生的含铬污泥等少量有毒有害废物外，其它固体废物，如尾矿、钢铁渣、含铁尘泥等，虽然量大，但基本属于一般工业固体废物。因而，较易燃、易爆、腐蚀性、有毒等危害的危险固体废物易于收集、输送、加工、处理，也便于作为二次资源加以利用。第二节 钢铁生产工艺过程一概述目前钢铁生产有两种主要工艺流程，主要差异是它们所用的含铁原料和类型不同。同时还存在

21、着这两种工艺流程的变化和组合。以这两种主要工艺流程构成钢铁联合企业（高炉/转炉法）和电炉（EAF法）钢厂，即“长流程”和“短流程”的钢铁生产。“长流程”钢铁生产（高炉/转炉法）长流程的钢铁联合企业主要使用铁矿石以及少量废钢铁。在生产过程中，首先是从矿石炼铁，随后将铁炼成钢。这一工艺流程所用的原料包括：铁矿石、煤、石灰石以及回收的废钢、能源和其他数量不同的各种辅助材料，如油料、耐火材料、合金材料、水等。其基本工艺流程见图93。目前高炉/转炉法长流程炼钢生产约占世界钢产量的60%。我国某钢铁联合企业生产工艺流程如图94所示。图93 钢铁联合企业基本生产工艺流程图94 我国某钢铁联合企业生产工艺流程

22、“短流程”电炉炼钢（EAF法）电炉炼钢主要使用废钢或越来越多地使用其它来源的金属铁，例如直接还原铁（DRI）。EAF炼钢主要工艺过程示意如图95。电炉炼钢不需要钢铁联合企业所采用的炼铁工序，而是直接在电炉内熔炼回收的废钢铁，并通过通常在较小的钢包炉（LF）中添加合金元素来调节金属的化学成分。用于熔炼的能源主要是电力，也可直接喷入电炉氧气和其他矿物燃料来代替或补充电能。EAF法主要投入和产出的主要物料平衡如图96所示。图95 电炉炼钢厂主要生产工艺流程示意图对钢铁联合企业炼钢相比，电炉炼钢工艺工序简单，占地较少。下游工艺步骤如浇铸或连铸、轧制，与联合企业类似。目前电炉（EAF法）钢厂生产约 占世

23、界总产量1/3。平炉炼钢平炉炼钢以铁水、部分废钢为主要原料并入熔剂，以燃油作燃料，使用高温空气，生成强烈火焰。空气通过平炉烟气余热加热，熔炼过程中亦可喷入氧气使熔池中碳组分迅速燃烧，加快冶炼过程。平炉炼钢实质上仍属于“长流程”冶炼。但因其能耗高、效率低现已被逐步淘汰，其产量所占比重甚少。二钢铁生产过程（一）原料装运 / 准备原料是生产的基础，钢铁生产消耗大量的原材料与燃料。因此，钢铁企业的原料供应从装运到备料，系统十分庞杂。1装运与准备由于需要运输和装卸数量极大的原料，所以原料运输费用是选择钢铁联合企业位置时的一项主要因素。因此，厂址大多位于易利用当地矿石或其他原料的地区，或位于拥有必要港口设

24、施的地区。这些设施还可以为出口成品提供便利。所以随着大型、高效远洋运矿巨轮（最大吨位可达32万吨）的出现，钢铁联合企业的厂址不一定为了节省成本而非要位于供矿地附近。原料主要通过海运输送到炼钢厂，其次是通过公路、铁路或河运。铁矿粉（直接从远洋货轮或从铁路货车/公路货车/河运货船）卸下、贮存，然后露天混合。混合可以提供更为均匀的用料，以便提高生产效率和减少浪费。混合过的铁矿通过焙烧制成烧结块或烧结成球团，以供高炉使用。选用烧结矿还是球团作为高炉进料，取决于当地情况，例如原料可得性、费用、操作要求、环境法规等。煤的准备包括“清洗”以去除矿物杂质，然后在炼焦炉中炼成焦炭，以供高炉使用。非焦煤可以粉化，

25、作为焦炭的代替物直接喷入高炉。石灰石可以直接送入高炉，或在特殊炉窑中转化为锻烧石灰，用于烧结矿或球团生产，或用作炼钢的添加剂。废钢的准备包括：切碎、分类和筛选，以便大量去除不需要的有色金属，以及部分去除有机涂料和其他杂质。2、装运 / 准备过程的环境问题与原料装运有关的主要环境问题是，卸料过程中产生的粉尘、来自贮料堆的粉尘以及车辆运输产生的粉尘和噪声。这些问题通常通过下列方法来加以控制：向贮料堆喷水或结壳剂；确保车轮和道路保持清洁；以及使装卸作业区远离居民区。来自原料装卸场的径流通常被收集和处理，以便去除其中的悬浮固体物和油。（二）烧结 / 造球烧结矿和球团的物理特性和化学特性，是决定高炉运行好坏的极为重要的因素，所以这些原料是炼铁过程的关键性组成部分。1、烧结生产工艺烧结过程指的是对带有助熔剂和焦炭粉的细铁矿粉加热，生产一种半熔状物质，这种物质再固化成具有作为高炉进料所必需的大小和强度特性的多孔烧结物。烧结层厚度最大为600mm的湿料被传送到不停运行的炉蓖上。